बेहतर ऊर्जा भंडारण के लिए आयन एक्सचेंज झिल्ली को ठीक से ट्यून करना

संरचना में नैनो-स्केल परिवर्तन प्रवाह बैटरी जैसे उपकरणों में उपयोग के लिए आयन एक्सचेंज झिल्ली को अनुकूलित करने में मदद कर सकते हैं।

कई अन्य संस्थानों के सहकर्मियों द्वारा समर्थित अनुसंधान। परिणामों से लंबे समय तक चलने वाले और अधिक लागत वाले और ऊर्जा-कुशल उपकरणों जैसे फ्लो बैटरी, लंबी अवधि के ग्रिड-स्केल ऊर्जा भंडारण के लिए एक आशाजनक तकनीक का निर्माण संभव हो जाना चाहिए।

जब विद्युत धारा इन उपकरणों में से किसी एक में इलेक्ट्रोड के बीच से गुजरती है, या तो अंदर जा रही है या बाहर जा रही है, तो यह उपकरण के भीतर आवेशित अणुओं, जिन्हें आयन कहा जाता है, के आदान-प्रदान द्वारा संतुलित होता है। ये तरल पदार्थों में उत्पन्न होते हैं, जिन्हें इलेक्ट्रोलाइट्स कहा जाता है, जो प्रत्येक इलेक्ट्रोड को घेरे रहते हैं। आयन एक्सचेंज झिल्ली का काम दो इलेक्ट्रोड और उनके संबंधित इलेक्ट्रोलाइट्स को अलग करना है, जबकि आयनों को उनके बीच से गुजरने की अनुमति देना है।

एक अच्छा आयन एक्सचेंज झिल्ली आयनों को तेजी से पार करने देगा, जिससे डिवाइस को अधिक ऊर्जा दक्षता मिलेगी, जबकि इलेक्ट्रोलाइट अणुओं को उनके ट्रैक में रोक दिया जाएगा। एक बार जब इलेक्ट्रोलाइट्स का रिसाव शुरू हो जाता है, तो उपकरण धीरे-धीरे अपनी प्रभावशीलता खो देता है और इसका जीवनकाल कम हो जाता है। इम्पीरियल में केमिकल इंजीनियरिंग विभाग के डॉ. किली सोंग ने कहा, “इसलिए झिल्लियों को बहुत प्रवाहकीय होने के साथ-साथ बहुत चयनात्मक भी होना चाहिए, और यह क्षेत्र में प्रमुख चुनौती है।”

वर्तमान में आयन-विनिमय झिल्ली के लिए उपयोग की जाने वाली सामग्रियां आदर्श से बहुत दूर हैं। उदाहरण के लिए, व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला नेफियन महंगा है और इसे पेरांड पॉलीफ्लोरोएल्किल पदार्थों (पीएफएएस) से निर्मित किया जाता है, जो वर्तमान में पर्यावरण में उनकी विषाक्तता और अत्यधिक दृढ़ता के कारण संयुक्त राज्य अमेरिका और यूरोप में चरणबद्ध तरीके से समाप्त हो रहे हैं। इसलिए वैकल्पिक टिकाऊ हाइड्रोकार्बन झिल्ली की आवश्यकता है।

वैकल्पिक झिल्ली

डॉ. सॉन्ग एक दशक से अधिक समय से सिंथेटिक पॉलिमर झिल्ली की एक नई पीढ़ी पर काम कर रहे हैं। ये सामग्रियों के एक वर्ग पर आधारित हैं जिन्हें आंतरिक माइक्रोपोरसिटी (पीआईएम) के पॉलिमर के रूप में जाना जाता है, जिसमें फ्यूसिली पास्ता की तरह कठोर और मुड़ी हुई रीढ़ होती है, जो छोटे छिद्रों से निकलती है। ये घंटे के आकार के माइक्रोप्रोर्स व्यवस्थित चैनल प्रदान करते हैं जिसके माध्यम से छोटे अणु और आयन यात्रा कर सकते हैं, जबकि छिद्र द्वार छलनी की तरह कार्य करते हैं जो बड़े अणुओं और आयनों को रोकते हैं।

डॉ. सॉन्ग ने इंपीरियल में अपना समूह स्थापित करने के बाद, आयन-प्रवाहकीय पीआईएम झिल्ली बनाने के विचार पर दोबारा गौर किया, जिसे शुरुआत में 2012 में अपने पीएचडी शोध में खोजा गया था। इन नए आयन-प्रवाहकीय पीआईएम के साथ पहले परिणाम एक में प्रस्तुत किए गए थे। प्रकृति सामग्री 2019 के अंत में पेपर। तब से, डॉ. सॉन्ग का समूह सामग्री को और विकसित करने और इसके व्यवहार को बेहतर बनाने के तरीके खोजने के लिए काम कर रहा है, ताकि इसके प्रदर्शन को विशिष्ट अनुप्रयोगों के लिए अनुकूलित किया जा सके।

आज तक, उन्होंने विभिन्न प्रकार के आयन-प्रवाहकीय समूहों के साथ बहुलक झिल्ली की एक श्रृंखला विकसित की है, लेकिन चुनौतियों का समाधान होना बाकी है।

नवीनतम अध्ययन के प्रमुख लेखक डॉ. अंकी वांग, जो अपनी पीएचडी और पोस्टडॉक के माध्यम से इस समस्या पर काम कर रहे हैं, ने कहा, “झिल्ली की सूजन का अध्ययन और नियंत्रण विशेष रूप से महत्वपूर्ण है, क्योंकि इससे छिद्र खुल सकते हैं और सामग्री की चयनात्मकता कम हो सकती है।” डॉ. सोंग के समूह में अनुसंधान, और जो हाल ही में सऊदी अरब में किंग अब्दुल्ला यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी (KAUST) में सहायक प्रोफेसर बने।

“पीआईएम पॉलिमर बैकबोन में हाइड्रोफोबिक पेंडेंट समूहों, जैसे ऑक्साडियाज़ोल और बेंजीन रिंग्स को जोड़कर, हम स्थानीय हाइड्रोफोबिसिटी को ट्यून करने में सक्षम हैं और इसलिए जब झिल्ली एक जलीय घोल में होती है तो छिद्र आकार और आयन परिवहन को अनुकूलित करते हैं,” उन्होंने समझाया।

जल और आयन परिवहन को समझना

डॉ. सोंग ने कहा, “एक वैज्ञानिक प्रश्न जिसने हमें कई वर्षों तक परेशान किया है, वह यह है कि जलयोजन अवस्थाओं में झिल्ली छिद्र संरचनाएं नैनो-स्केल पर कैसे बदलती हैं, और आयनों का परिवहन कैसे होता है,” आणविक मॉडलिंग और उन्नत लक्षण वर्णन को क्रम में जोड़ना आवश्यक था। झिल्ली संरचनाओं के साथ-साथ इन झिल्लियों में पानी और आयन परिवहन की गतिशीलता को समझने के लिए।”

टीम ने यह अध्ययन करने के लिए आणविक मॉडलिंग का उपयोग किया कि पानी में झिल्ली कैसे सूज जाती है, छिद्र के आकार पर क्या प्रभाव पड़ता है और आयन झिल्ली में विभिन्न स्थानों से कैसे गुजरते हैं। मॉडलिंग इंपीरियल में रसायन विज्ञान विभाग में पीएचडी उम्मीदवार चार्लोट ब्रेकवेल द्वारा की गई थी, जिसकी देखरेख प्रोफेसर किम जेल्फ़्स ने की थी।

सुश्री ब्रेकवेल ने कहा, “हाइड्रेटेड अवस्था में पॉलिमर मॉडल का निर्माण करके, हम हाइड्रेशन पर छिद्र द्वार के आकार में छोटे परिवर्तन को अलग करने में सक्षम हैं, जिसे प्रयोगात्मक रूप से नहीं देखा जा सकता है।” “इसके अलावा, हमारे मात्रात्मक विश्लेषण ने सुझाव दिया कि आयन इन माइक्रोप्रोर्स के माध्यम से चुनिंदा रूप से फैलते हैं, और उनकी गतिशीलता पानी के प्रसार से जुड़ी होती है।”

डॉ. वांग ने कहा, “यह आणविक मॉडलिंग छिद्रों के आसपास स्थानीय हाइड्रोफोबिसिटी को ट्यून करने की प्रभावशीलता की पुष्टि करता है।” “अब हम जानते हैं कि हमारी नई झिल्ली थोड़ी सूज गई है, लेकिन इसके छिद्र अभी भी एक नैनोमीटर व्यास से नीचे हैं जिसकी हमें चयनात्मकता बनाए रखने के लिए आवश्यकता है।”

करीब से देख रहा हूँ

इस परिणाम के आधार पर, टीम ने इन उप-नैनोमीटर छिद्रों में पानी और आयन की गतिशीलता की आगे जांच की। जिस तरह से झिल्ली में पानी का व्यवहार होता है, उसकी जांच अर्ध-लोचदार न्यूट्रॉन स्कैटरिंग (क्यूईएनएस) स्पेक्ट्रोस्कोपी के साथ नैनो पैमाने पर की गई थी, जिसे यूनिवर्सिटी कॉलेज लंदन में डॉ. फैब्रीज़िया फोगलिया और हारवेल में रदरफोर्ड एपलटन प्रयोगशाला में आईएसआईएस न्यूट्रॉन और म्यूऑन स्रोत द्वारा किया गया था।

डॉ. फोग्लिया ने कहा, “न्यूट्रॉन प्रकीर्णन के साथ, हम इन सूक्ष्म छिद्रों के भीतर लंबी दूरी और स्थानीय जल प्रसार को अलग करने में सक्षम हैं।” “ये परिणाम आणविक गतिशीलता सिमुलेशन परिणामों के अनुरूप, इसके बड़े छिद्रों के भीतर जल समूहों के एक अत्यधिक परस्पर जुड़े नेटवर्क का सुझाव देते हैं।”

पानी और आयन प्रसार पर अधिक जानकारी बर्मिंघम विश्वविद्यालय में प्रोफेसर मेलानी ब्रिटन की टीम द्वारा किए गए परमाणु चुंबकीय अनुनाद अध्ययन से मिली। प्रोफेसर ब्रिटन ने कहा, “एनएमआर स्पेक्ट्रोस्कोपी में अपनी विशेषज्ञता के साथ इस काम में योगदान करने में हमें खुशी हो रही है, जो इन नवीन झिल्लियों के भीतर पानी और आयन परिवहन की गतिशीलता की प्रभावी ढंग से जांच करता है।”

इन प्रायोगिक परिणामों को रेडॉक्स फ्लो बैटरी में परीक्षणों द्वारा समर्थित किया गया, जिसने अच्छा प्रदर्शन किया और लगभग दो महीनों तक स्थिर साबित हुआ। डॉ. सोंग ने बताया, “यह बहुत महत्वपूर्ण है, क्योंकि इन बैटरियों का उपयोग बड़े पैमाने पर, लंबी अवधि की हरित ऊर्जा भंडारण के लिए किया जाएगा।” “आप इन बैटरियों को कई घंटों तक चलाना चाहते हैं और साथ ही उनका जीवनकाल 10 या 20 साल का होना चाहिए, और यदि बैटरी जल्दी खराब हो जाती है तो इसे लंबे समय तक संचालित नहीं किया जा सकता है।”

अगले कदम

सामग्रियों पर काम जारी है, अब उनकी संरचना और कार्य को बेहतर बनाने के लिए अन्य रास्ते तलाशे जा रहे हैं। अन्य अनुप्रयोगों के लिए झिल्ली सामग्री को अनुकूलित करने की भी संभावना है। शोध की एक पंक्ति इस बात पर केंद्रित है कि लिथियम निष्कर्षण जैसे अनुप्रयोगों के लिए इन चयनात्मक झिल्लियों को और कैसे विकसित किया जाए। यह समूह द्वारा ऊर्जा-कुशल संसाधन पुनर्प्राप्ति के लिए नई झिल्ली प्रक्रियाओं पर किए जा रहे कार्य से जुड़ा है।

हम वर्तमान में प्रौद्योगिकी के व्यावसायीकरण के विकल्प तलाश रहे हैं, और इसे और विकसित करने में हमारी मदद करने के लिए औद्योगिक भागीदारों की तलाश कर रहे हैं। डॉ. किली सोंग केमिकल इंजीनियरिंग विभाग

“भविष्य के काम में, हम मशीन लर्निंग और कृत्रिम बुद्धिमत्ता के माध्यम से उन्नत डेटा-संचालित दृष्टिकोण द्वारा झिल्ली सामग्री की खोज में तेजी लाने की उम्मीद करते हैं,” प्रोफेसर जेल्फ़्स ने कहा, जो कि केमिस्ट्री हब के लिए एआई का नेतृत्व भी कर रहे हैं, जो इंपीरियल और के बीच एक संयुक्त परियोजना है। लिवरपूल विश्वविद्यालय जो आणविक मॉडलिंग और नई सामग्रियों के निर्माण में मशीन लर्निंग लागू कर रहा है।

इंपीरियल समूह ने झिल्ली सामग्री और उनके उपयोग के विभिन्न पहलुओं पर एक पेटेंट दायर किया है। यूकेआरआई इम्पैक्ट एक्सेलेरेशन अनुदान और यूरोपीय रिसर्च काउंसिल प्रूफ-ऑफ-कॉन्सेप्ट अनुदान के समर्थन से, टीम ने कई उपकरणों में झिल्ली का उपयोग करने की व्यवहार्यता का भी प्रदर्शन किया है। डॉ. सोंग ने कहा, “हम वर्तमान में प्रौद्योगिकी के व्यावसायीकरण के विकल्प तलाश रहे हैं, और इसे और विकसित करने में हमारी मदद करने के लिए औद्योगिक भागीदारों की तलाश कर रहे हैं।”

* पॉलिमर झिल्ली में हाइड्रेटेड माइक्रोप्रोर्स के माध्यम से चयनात्मक आयन परिवहन अंकी वांग, चार्लोट ब्रेकवेल, फैब्रीज़िया फोगलिया, रुई टैन, लुई लोवेल, ज़ियाओचू वेई, टोबी वोंग, नैकी मेंग, हाओडोंग ली, एंड्रयू सील, मोना सार्टर, कीनन स्मिथ, अल्बर्टो अल्वारेज़ फर्नांडीज, मेट फ़्यूरेडी, स्टीफन गुल्डिन, मेलानी ब्रिटन, नील मैककेन, किम जेल्फ़्स, किली सॉन्ग। प्रकृति, 2024. https://doi.org/10.1038/s41586'024 -08140-2.